Дори най-надеждните природни защити имат своите слаби места. Учени установиха, че при определени условия високоенергийни електрони могат да проникват в област около Земята, която доскоро се смяташе за практически недостъпна за тях. Откритието е направено благодарение на наблюдения от една от най-мощните слънчеви бури през последните десетилетия. Резултатите разкриват непознат досега механизъм за ускоряване на опасни частици и могат да помогнат за по-добрата защита на спътниците и космическите апарати.

На снимките от Космоса Земята изглежда като самотна планета, обгърната от безкрайна тъмнина. В действителност пространството около нея далеч не е пусто.

Планетата ни е заобиколена от радиационните пояси на Ван Алън – две области с форма на пръстен, изпълнени с високоенергийни протони и електрони, които се задържат от земното магнитно поле.

Външният пояс съдържа предимно електрони, ускорени вследствие на процеси, свързани със слънчевата активност. Голяма част от протоните във вътрешния пояс пък произхождат от частици, образувани при сблъсъците на космическите лъчи със земната атмосфера.

Повече от десетилетие учените смятаха, че в тази система съществува практически непреодолима бариера за най-енергичните електрони. Тя би трябвало да възпрепятства проникването към Земята на т.нар. ултрарелативистични електрони – частици, които се движат със скорост, изключително близка до тази на светлината.

Нови наблюдения обаче показват, че при определени обстоятелства бариерата може да бъде преодоляна.

През май 2024 г., по време на изключително мощна слънчева буря, японски спътник регистрира необичайно явление. В област, която се смята за защитена от най-енергичните електрони, частиците достигат енергии от порядъка на мегаелектронволти. Според досегашните представи подобно ускоряване не би трябвало да се случва там.

„Показваме, че тази бариера може да бъде преодоляна при екстремни условия на космическото време“, пишат учените, ръководени от космическия физик Йошизуми Мийоши от университета в Нагоя, Япония.

Изследването е публикувано в научното списание Geophysical Research Letters.

Какво представляват „електроните убийци“?

Учените познават от десетилетия т.нар. електрони убийци – високоенергийни частици, които представляват сериозна опасност за космическата техника.

Под въздействието на електромагнитни вълни в земната магнитосфера, особено по време на геомагнитни бури, тези електрони могат да бъдат ускорени почти до скоростта на светлината.

Те притежават толкова голяма енергия, че могат да проникват през защитните обвивки на спътниците, да повреждат чувствителната им електроника и да съкращават експлоатационния живот на космическите апарати.

Опасността не се ограничава само до техниката. Подобни частици увеличават и радиационния риск за астронавтите.

През 2014 г. обаче изследователи забелязват нещо необичайно. Данните от сондите Van Allen Probes на НАСА разкриват ясно очертана граница, разположена на около три земни радиуса от центъра на планетата. Най-енергичните електрони почти никога не преминават отвъд нея към Земята.

Учените я определят като „непробиваема бариера“.

За да обяснят съществуването ѝ, те предполагат, че важна роля играят електромагнитните вълни в област от студена плазма, обгръщаща Земята. Тези вълни могат да променят движението на електроните, така че те да напуснат траекториите, по които магнитното поле ги задържа, и да се насочат към атмосферата.

В съчетание с бавното им придвижване към Земята този процес изглежда създава естествена преграда, която не позволява на най-енергичните частици да проникнат по-навътре.

Защо учените започват да се съмняват в съществуването на бариерата?

Още през 2018 г. обаче се появяват първите сериозни съмнения, че тази граница действително е непреодолима.

Изследователи допускат, че тя може изобщо да не представлява истинска физическа преграда. Според тях привидната ѝ устойчивост се дължи на сравнително кратката продължителност на геомагнитните бури.

Колебанията в земното магнитно поле могат да придвижват високоенергийните електрони към планетата. Обикновено обаче бурите отслабват, преди частиците да успеят да навлязат достатъчно навътре.

През 2024 г. учените откриват още една важна подробност. След анализ на наблюдения, направени между 1996 и 2006 г., те установяват, че електромагнитните вълни, породени от мълнии, могат да отклоняват вече попадналите във вътрешния радиационен пояс високоенергийни електрони към земната атмосфера.

Това е допълнително доказателство, че електрони с енергии от порядъка на мегаелектронволти могат да се намират и отвъд смятаната за непреодолима граница, по-близо до Земята.

Слънчевата супербуря от май 2024 г. разкрива нещо неочаквано

Решаващите доказателства идват през май 2024 г., когато Земята е връхлетяна от една от най-мощните слънчеви бури през последните десетилетия.

Поредица от слънчеви изригвания и коронални изхвърляния на маса запраща милиарди тонове намагнитена плазма в междупланетното пространство.

Подобни явления са пряко свързани със сложните магнитни процеси в атмосферата на нашата звезда. Учените продължават да изучават механизмите, които предизвикват слънчевите изригвания, а в лабораторни условия вече се правят опити за пресъздаване на част от тези процеси.

На Земята бурята от май 2024 г. предизвиква геомагнитно смущение от степен G5 – най-високата по скалата за геомагнитни бури. То е толкова силно, че въздействието му е отчетено дори на океанското дъно.

Бурята рязко намалява количеството студена плазма в земната плазмосфера – област около планетата, в която се намира сравнително плътна, нискоенергийна плазма.

В резултат възникват необичайно благоприятни условия за разпространението на специфичен вид електромагнитни вълни, известни като хорови вълни (chorus waves).

„Ако бъдат преобразувани в звук, те наподобяват птича песен“, обяснява Мийоши.

Тези вълни обаче имат и друго, далеч по-важно свойство.

Вместо да отклоняват електроните към атмосферата, както правят други електромагнитни вълни, те изглежда са ги ускорили до изключително високи енергии.

И всичко това се случва в самата област, която дотогава се смята за недостъпна за подобни частици.

Електронният поток нараства над 5000 пъти

Доказателствата идват от японския спътник „Арасе“ (Arase), който наблюдава радиационните пояси на Земята от 2017 г.

Докато геомагнитната обстановка постепенно се успокоява след бурята, апаратът регистрира рязко увеличение на потока от ултрарелативистични електрони във вътрешността на предполагаемата бариера.

При енергии от около 3 мегаелектронволта потокът на тези частици нараства повече от 5000 пъти спрямо стойностите, измерени преди бурята.

Още по-интересна е последователността, с която се увеличава броят на електроните с различна енергия.

Първоначално се наблюдава ръст при частиците с по-ниска енергия. Около 12 часа по-късно започва да нараства и броят на по-енергичните електрони. Приблизително едно денонощие след първоначалното увеличение рязко се повишава и потокът от частици с енергии над 3 мегаелектронволта.

Тази последователност дава на учените важна следа за случилото се.

Ако електроните просто бяха пренесени от по-отдалечени области на магнитосферата, наблюденията вероятно щяха да изглеждат различно. Данните обаче сочат, че частиците постепенно са придобивали енергия на самото място, във вътрешността на смятаната за защитена област.

Мийоши и колегите му намират допълнителни доказателства в пространственото разпределение на електроните. То показва ясно изразен максимум в близост до границата на предполагаемата бариера.

Такова разпределение трудно може да се обясни единствено с придвижване на частици към Земята. То обаче съответства на сценарий, при който електроните първо се ускоряват в определена област, а след това се разпространяват както навътре, така и навън от нея.

Всички тези наблюдения подкрепят предположението, че рязкото намаляване на студената плазма е създало условия за ускоряване на електрони по механизъм, който обикновено се наблюдава значително по-далеч от Земята.

Схемата на изследователите показва как слънчевата супербуря от май 2024 г. нарушава обичайните условия в земните радиационни пояси и позволява на електроните да се ускоряват във вътрешността на предполагаемата непробиваема бариера. Източник: Miyoshi et al., Geophysical Research Letters, 2026.

Последиците от бурята се усещат месеци наред

Възстановяването на обичайните условия в радиационните пояси се оказва продължителен процес.

Спътникът „Арасе“ продължава да отчита постепенно намаляване на потока от ултрарелативистични електрони чак до октомври 2024 г., когато нова слънчева буря отново нарушава обстановката в околоземното пространство.

Откритието показва, че процесите около нашата планета са много по-сложни, отколкото подсказва привидното спокойствие на Космоса.

За да ги разбират по-добре, учените наблюдават както земната магнитосфера, така и процесите на самото Слънце. Особено ценни са данните от мисии като слънчевата сонда „Паркър“, която за първи път навлезе в слънчевата корона. Изследванията на структурата на слънчевата атмосфера също помагат да бъдат изяснени сложните взаимодействия между плазмата и магнитните полета.

„Това откритие показва колко важно е да разбираме и да можем да предвиждаме поведението на високоенергийните електрони при екстремни условия на космическото време“, казва Мийоши.

„Тези знания са необходими, за да оценяваме радиационните рискове за космическите апарати и да подобряваме прогнозите за космическото време.“

Изследването е публикувано в научното списание Geophysical Research Letters.